鄭德帥，韓 霞，丁 鵬，楊 冬，栗國浩

(1.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京102260；2.天津市正方科技發(fā)展有限公司，天津 300270；3.渤海石油裝備制造有限公司，天津 300280；4.長慶油田分公司 機(jī)械制造總廠，西安 710201 )5.中海油田服務(wù)有限公司，河北 三河 065201

頁巖油氣已經(jīng)成為我國重要的油氣資源，水平井是開發(fā)頁巖油氣的必要技術(shù)[1]，頁巖氣水平井水平段長度已經(jīng)達(dá)到2 000 m。由于水平段儲(chǔ)層深度變化，需要頻繁定向鉆進(jìn)[2]，降低了鉆井效率。使用可變徑穩(wěn)定器[3]配合螺桿鉆具組合旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)穩(wěn)定器的外徑實(shí)現(xiàn)不同的造斜特性[4]，可大幅提高鉆井速度。

國內(nèi)外研制了眾多型號(hào)的可變徑穩(wěn)定器[5-7]。哈利伯頓公司研制的多位變徑穩(wěn)定器HVGS是基于機(jī)電液一體化的裝置，215.9 mm變徑穩(wěn)定器直徑調(diào)節(jié)為184.2～215.9 mm，采用鉆井液脈沖遙控技術(shù)調(diào)節(jié)穩(wěn)定器直徑[8]，性能先進(jìn)但成本高，電子部件在井下可靠性差；法國研制可變徑穩(wěn)定器Varistab 具有3個(gè)變徑數(shù)值[9]，中間直徑用于穩(wěn)斜，其余2個(gè)直徑用于造斜和降斜，無電子元器件，但結(jié)構(gòu)精細(xì)，井下安全性差，未見規(guī)?；瘧?yīng)用。中國石油集團(tuán)下屬公司研制了YW-178型遙控變徑穩(wěn)定器，通過地面施加鉆壓或提起鉆頭來實(shí)現(xiàn)直徑的變化[10]，由于鉆進(jìn)過程中鉆壓呈現(xiàn)劇烈的振動(dòng)狀態(tài)，因此利用鉆壓調(diào)控成功率低。蘇義腦院士等人研發(fā)的排量控制式變徑穩(wěn)定器[11]，利用排量控制主軸運(yùn)動(dòng)，主軸推動(dòng)柱塞組外伸，達(dá)到變徑的目的，排量控制簡單可靠，但主軸與柱塞之間運(yùn)動(dòng)容易卡住，提高主軸推力又會(huì)引起壓差過大。大慶鉆探公司研制新型可變徑穩(wěn)定，利用開關(guān)泵調(diào)節(jié)直徑[12]，借鑒圓珠筆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了周向齒輪結(jié)構(gòu)，容易磨損，壽命不高。

通過借鑒目前可變徑穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于排量控制的變徑穩(wěn)定器。采用內(nèi)外壓差驅(qū)動(dòng)，采用側(cè)開式巴掌，提高了控制精度和受力部件可靠性。

1 可變徑穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)及原理

可變徑穩(wěn)定器外形及組成如圖1所示，主要由本體、巴掌、推力活塞、控制滑閥、彈簧及其他配套部件。周向均布3套巴掌、推力活塞。具體部件包括本體、上穩(wěn)定塊、擋砂板、巴掌、活塞、母板、銷軸、下穩(wěn)定塊、滑閥、復(fù)位彈簧、彈簧擋圈以及密封件和緊固件。

1-本體；2-上穩(wěn)定塊；3-擋砂板；4-巴掌；5-活塞；6-母板；7-銷軸；8-下穩(wěn)定塊；9-滑閥；10-復(fù)位彈簧；11-彈簧擋圈。

上、下穩(wěn)定塊自身的斜坡可降低工具與井壁的摩擦，擋砂板防止巖屑進(jìn)入巴掌下方，可預(yù)防巴掌無法收回的問題；母板連接于本體上，用于安裝巴掌和銷軸；活塞在壓差作用下可產(chǎn)生推力，推動(dòng)巴掌運(yùn)動(dòng)；滑閥在鉆井液流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生節(jié)流壓力，在彈簧和彈簧擋圈配合下，通過上下運(yùn)動(dòng)控制壓力通道。

可變徑穩(wěn)定器兩端扣型分別為鉆桿公扣、母扣，根據(jù)需要安放于螺桿鉆具或者無磁鉆鋌上部，泥漿泵將鉆井液由鉆柱內(nèi)部輸送至可變徑穩(wěn)定器，由于螺桿鉆具、鉆頭等的壓降，在可變徑穩(wěn)定器內(nèi)部與外部之間形成壓差。鉆井液流經(jīng)滑閥內(nèi)孔時(shí)，由于滑閥內(nèi)孔直徑小于本體內(nèi)徑，過流面積變小產(chǎn)生節(jié)流壓力，排量越大節(jié)流壓力越大，產(chǎn)生推動(dòng)滑閥的力越大。當(dāng)排量較正常排量較小時(shí)，滑閥推動(dòng)力小于彈簧預(yù)緊力，處于關(guān)閉液壓通道的狀態(tài)，封隔工具內(nèi)外壓差，推力活塞不起作用，巴掌處于收回狀態(tài)，形成小直徑穩(wěn)定器。

當(dāng)排量達(dá)到正常鉆進(jìn)流量或更高時(shí)，鉆井液在滑閥處產(chǎn)生了較大的推力，滑閥在較大的推力作用下克服彈簧的反彈力開始軸向運(yùn)動(dòng)，壓力通道處于打開狀態(tài)，工具內(nèi)部的高壓鉆井液通過滑閥和本體上的小孔作用于活塞底面?；钊趦?nèi)外壓差的作用下伸出，并推動(dòng)巴掌張開，形成大直徑穩(wěn)定器。通過控制鉆井液排量，可靈活控制穩(wěn)定器外徑。

2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)可變徑穩(wěn)定器的工作機(jī)理，其關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)主要由推力活塞、巴掌組成的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；由滑閥、彈簧組成的控制機(jī)構(gòu)。根據(jù)定向鉆進(jìn)時(shí)對(duì)穩(wěn)定器直徑的要求，最終確定的2個(gè)直徑分別為?190 mm和?210 mm。

2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

1) 巴掌設(shè)計(jì)。

目前研究與應(yīng)用的變徑穩(wěn)定器采用多組柱塞結(jié)構(gòu)的伸出，達(dá)到穩(wěn)定器外徑增大的目的。由于鉆進(jìn)時(shí)變徑穩(wěn)定器同時(shí)要進(jìn)行軸向運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，柱塞伸出后與下井壁接觸，要同時(shí)受到軸向力和轉(zhuǎn)矩，軸向受力大于鉆壓，受力200～300 kN，旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)矩約為1 000 ～2 000 N·m。由于井壁不平整，導(dǎo)致柱塞組受力不均勻[13]，易發(fā)生嚴(yán)重磨損、柱塞變形卡住等現(xiàn)象，柱塞卡入井壁的凹坑中還會(huì)引起嚴(yán)重鉆柱阻卡，影響正常鉆進(jìn)[14-15]。

設(shè)計(jì)了側(cè)開式巴掌結(jié)構(gòu)，巴掌表面鑲嵌硬質(zhì)合金提高耐磨性，加工成與井壁相似的圓弧形狀，工作時(shí)與井壁接觸更好。巴掌回收時(shí)穩(wěn)定器外徑為?190 mm，巴掌兩端的上下穩(wěn)定塊與巴掌共同支撐井壁。巴掌長度300 mm，平均厚度20 mm，安全系數(shù)大于10。巴掌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)還保護(hù)了推力活塞，使推力活塞不接觸井壁，變形卡住的可能性降低，提高工具在井下工作的可靠性。

2) 推力活塞設(shè)計(jì)。

推力活塞的作用是利用鉆柱內(nèi)外壓差產(chǎn)生推力，將巴掌推靠出去，形成大外徑的穩(wěn)定器。變徑穩(wěn)定器一般安放于穩(wěn)定器上部或無磁鉆鋌上部，為發(fā)揮支撐作用，推力活塞產(chǎn)生的推力要不低于上下工具或鉆柱的重力，考慮到螺桿鉆具、無磁鉆鋌的重量，設(shè)計(jì)推力活塞的推力應(yīng)不低于20 kN。

對(duì)于215.9 mm井眼，鉆井液排量為25～32 L/s，按最低排量計(jì)算螺桿鉆具和鉆頭的壓耗約為5 MPa，要達(dá)到設(shè)計(jì)推力，活塞直徑d計(jì)算公式為：

(1)

式中：F為活塞設(shè)計(jì)推力，N；Δp為變徑穩(wěn)定器內(nèi)外壓差，Pa。

經(jīng)計(jì)算，推力活塞直徑≥22.57 mm，考慮到活塞配合的格萊圈密封的系列尺寸，設(shè)計(jì)推力活塞直徑為30 mm。活塞頂部設(shè)計(jì)為直徑10 mm的半球，與巴掌內(nèi)側(cè)球窩配合，活塞上下與巴掌的開合動(dòng)作容易協(xié)調(diào)一致，且接觸面積大。

2.2 控制機(jī)構(gòu)

控制結(jié)構(gòu)主要包括滑閥和彈簧?；y上軸向布置有4個(gè)密封圈(如圖2)，用于安裝密封圈封隔流體和壓力。在中間2個(gè)密封圈之間軸向均布3個(gè)小孔，用于在滑閥處于打開狀態(tài)下時(shí)傳遞工具內(nèi)高壓流體至活塞底部，從而在活塞上下面形成液壓差。

圖2 滑閥結(jié)構(gòu)

當(dāng)鉆井液排量小于25 L/s時(shí)，滑閥所受液壓力小于彈簧預(yù)緊力，滑閥處于關(guān)閉狀態(tài)，滑閥上位于本體小孔兩邊的密封圈封隔工具內(nèi)外壓差，鉆井液從滑閥內(nèi)孔通過，巴掌處于收回狀態(tài)。如圖3a所示。

當(dāng)鉆井液排量增大至25～28 L/s時(shí)，由于滑閥所受液壓力增大，液壓力克服密封圈摩擦力及彈簧彈力軸向移動(dòng)直到本體小孔經(jīng)過密封圈，位于第2、第3道密封圈之間，此時(shí)高壓鉆井液通過滑閥和本體上的小孔作用于活塞底面，活塞在內(nèi)外壓差的作用下伸出，帶動(dòng)巴掌處于打開狀態(tài)。如圖3b所示。

當(dāng)排量大于28 L/s時(shí)，滑閥所受液壓力進(jìn)一步增大，滑閥繼續(xù)軸向移動(dòng)，本體小孔位于第1、第2道密封圈之間，封隔高壓鉆井液由滑閥小孔向本體小孔傳遞路徑，活塞不受工具內(nèi)外壓差作用，巴掌收回，不會(huì)產(chǎn)生井壁推靠力。如圖3c所示。

圖3 3種排量下滑閥開關(guān)狀態(tài)

當(dāng)排量小于25 L/s、大于28 L/s時(shí)推力活塞都不會(huì)產(chǎn)生推力形成小直徑穩(wěn)定器。設(shè)計(jì)2個(gè)排量區(qū)間的目的：一是互相備份提高工具的可靠性；二是如果現(xiàn)場對(duì)小直徑穩(wěn)定器的排量大小有要求，2個(gè)排量區(qū)間就可以更好地滿足現(xiàn)場工藝要求。

理論上滿足上述排量開關(guān)要求的滑閥內(nèi)節(jié)流孔直徑、彈簧的規(guī)格有無數(shù)組。如果設(shè)計(jì)的彈簧強(qiáng)度大，則節(jié)流孔直徑就要小，以產(chǎn)生更大的推力，運(yùn)行較為可靠，但產(chǎn)生壓差Δp也更大。

(2)

式中：A1為節(jié)流孔面積，m2；A2為本體流道面積，m2；v1為節(jié)流孔流速，m/s；ρ為鉆井液密度，g/cm3。

根據(jù)現(xiàn)場工藝綜合考慮，確定以壓差0.5 MPa為設(shè)計(jì)值，通過計(jì)算來初步確定上述參數(shù)，再根據(jù)測試結(jié)果調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)壓縮量，達(dá)到精確設(shè)計(jì)的目的。最終確定的滑閥內(nèi)節(jié)流孔直徑為34 mm，彈簧線材直徑6 mm。彈簧剛度系數(shù)35 N/mm，自由長度300 mm，預(yù)壓縮量75 mm。

3 試驗(yàn)測試

加工組裝可變徑穩(wěn)定器，并對(duì)其控制功能、推力系統(tǒng)進(jìn)行大排量、高溫條件下的測試。

3.1 控制測試

將可變徑穩(wěn)定器與鉆井泵連接，另一端連接節(jié)流裝置，如圖4a。節(jié)流裝置的作用使可變徑穩(wěn)定器內(nèi)部產(chǎn)生一定壓力，與外界形成壓差，以驅(qū)動(dòng)推力活塞，從而測試滑閥的功能。滑閥功能測試曲線如圖4b。

圖4 滑閥功能測試

測試結(jié)果表明，鉆井泵的排量從0開始升高時(shí)，泵壓逐漸升高，當(dāng)排量提高至25 ～28 L/s時(shí)，活塞推力提高至1 388 ～1 742 N；當(dāng)排量提高至28 L/s以上時(shí)，活塞推力迅速降低，驗(yàn)證了滑閥準(zhǔn)確的控制功能。

3.2 推力測試

推力測試的目的是驗(yàn)證可變徑穩(wěn)定器在內(nèi)部高壓、高溫環(huán)境下密封系統(tǒng)能否正常工作，能否產(chǎn)生設(shè)計(jì)的推力。將可變徑穩(wěn)定器內(nèi)部充滿機(jī)油，整體放入熱處理爐中160 ℃加熱3 h，取出后一端接手壓泵增加內(nèi)部壓力至5 MPa，使用電動(dòng)缸推動(dòng)滑閥，記錄活塞推力值，測試的活塞最高壓力達(dá)到34.75 kN，且高溫下滑閥反復(fù)運(yùn)行，均可有效控制推力，驗(yàn)證了滑閥動(dòng)密封在高溫下的可靠性。

經(jīng)過控制測試和推力測試，驗(yàn)證了實(shí)鉆環(huán)境下可變徑穩(wěn)定器具備排量控制外徑的功能?；诨y的控制技術(shù)，相對(duì)于機(jī)械控制可變徑穩(wěn)定器，流量控制更加可靠。相對(duì)于電控可變徑穩(wěn)定器，具有耐高溫的技術(shù)優(yōu)勢。

4 結(jié)論

1) 可變徑穩(wěn)定器與螺桿鉆具導(dǎo)向技術(shù)相結(jié)合可提高鉆井效率，低成本與可靠性是能否現(xiàn)場推廣應(yīng)用的重要條件，也是設(shè)計(jì)的優(yōu)先目標(biāo)。

2) 設(shè)計(jì)的可變徑穩(wěn)定器通過排量控制滑閥，進(jìn)行巴掌調(diào)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)簡單可靠，操作容易的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)的巴掌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)高，可有效保護(hù)活塞，從整體上提高了工具的可靠性。

3) 通過大排量測試，驗(yàn)證了滑閥控制的精度。通過高溫高壓測試驗(yàn)證了滑閥、活塞密封的可靠性，推力也達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，為現(xiàn)場測試提供了安全保障。

4) 建議與現(xiàn)場鉆井工藝結(jié)合，制定可變徑穩(wěn)定器的井口測試要點(diǎn)和井下操作規(guī)程，盡快入井測試應(yīng)用。